CN101470028B - 一种集成电路芯片温度的片上测温电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成电路芯片温度的片上测温电路及其方法。包括：运算放大器op1、运算放大器op2、比较器电路cmp。运算放大器op1和运算放大器op2通过运算放大器op1输出端的电阻r3抽头连接到运算放大器op2的输入端。运算放大器op1、运算放大器op2的输出端连接到比较器电路cmp1的两个输入端。方法步骤：1，根据应用确定一个最接近测量温度值的初始温度值t0；2，打开测温系统，改变可变电阻r5的电阻值；3，改变可变电阻r5的电阻值；4，根据公式(r5₀+Δr5)＝r4₀(1+Δt*tr2)，代入已知的r40，r50以及tr2；5，如果步骤2中的比较器cmp1的输出为0；6，如果r5的电阻值增加或者减小为最大值或者最小值；7，重复上述步骤，多次测量求平均值。

Description

一种集成电路芯片温度的片上测温电路及其方法

技术领域

本发明涉及集成电路芯片测温技术领域，特别是一种集成电路芯片温度的片上测温电路及其方法。

背景技术

温度对于现代集成电路有很大的意义，集成电路的温度关系到集成电路工作的可靠性问题，一般地集成电路的工作温度为-30度一80度，因为硅材料的结温是125度，超过这个温度就损坏了，电脑CPU的表面温度应控制在60度以里，其实它的核心温度已接近80度了，这就是CPU应加强散热的原因。

对于一个高速度或者高功率集成电路系统，一般地都需要有一个温度管理控制系统，来实现对温度的探测，响应以及管理工作。一般地，由于集成电路芯片测量温度的方法学上的和精度上的困难，绝大多数此类系统均采用温度传感器的方法来测量温度。而一般温度传感器是采用白金电阻随温度线形变化曲线来实现温度的测量和计算的。所以，此类传感器具有体积大，成本高，需要独立的封装等缺点。

此外，对于温度探测的应用不仅仅包括系统/芯片温度的管理，还可以应用于“动态模拟电路性能调节”领域。由于很多电子设备是温度敏感电子设备，所以需要与其配合的集成电路根据温度的不同动态的调节，此类应用可以在锂电池充电，液晶显示屏幕驱动等诸多领域上见到。以锂电池充电为例，由于环境温度不同，锂电池材料所表现的电压，电流，内阻会不同，所以要调节充电的判别标准。

发明内容

由于温度传感器的诸多缺点，使得“动态模拟电路性能调节”在消费类电子领域一片空白。本发明的特点就是采用一种便捷的电路和策略在集成电路芯片之上集成了温度测量计算功能，可以非常广泛的应用于对精度要求相对较低，但是对成本，体积要求很高的集成电路测温领域，可以有效地解决该领域的空白。

本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种集成电路芯片温度的片上测温电路及其方法。

温度理论计算：

设vbiasn选取的抽头为x：

$v0p9=\frac{270}{x}\mathrm{vbias}$

$v1p8=\frac{510}{x}\mathrm{vbias}$

$v1p8n=\frac{r4+r5}{r5}v0p9=\{\frac{r{4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{r{5}_0*(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}*\frac{270}{x}\mathrm{vbias}$

$=\{\frac{r{4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{r{5}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}*\frac{270}{x}\mathrm{vbias}$

$\frac{v1p8}{v1p8n}=\frac{540}{270*\{\frac{r{4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{r{5}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}}$

常温时，

当温度改变时，必须调节r4或r5使该调节过程就是温度测量过程。

当时：

r4(1+Δt*tr2)＝r5(1+Δt*tr1)

当温度改变时，如果r4保持不变，则r5的电阻必须改变：

r4₀(1+Δt*tr2)＝(r5₀+Δr5)(1+Δt*tr1)

当Δ*tr1＜＜1时，上式可以简化为：

(r5₀+Δr5)＝r4₀(1+Δt*tr2)

当温度变化1℃时：

Δr5＝r4₀tr2＝r5₀tr2

由上述推倒可见：通过判断r5电阻的改变量即可判断温度。测量温度过程由方法步骤体现。

说明：

所有以V开头的符号，都是电路中相应节点的电压，r4，r5是电路中的两个电阻，而r4

和r5

是在室温t0时候的r4，r5电阻值，Δr4，Δr5是r4，r5的电阻变化量。Δt是温度变化tr1是r5的温度系数，tr2是r4的温度系数。

一种集成电路芯片温度的片上测温电路，包括：运算放大器op1、运算放大器op2、比较器电路cmp1，运算放大器op1与运算放大器op2通过运算放大器op1输出端的电阻r3抽头连接到运算放大器op2的输入端，运算放大器op1、运算放大器op2的输出端连接到比较器电路cmp1的两个输入端。

所述运算放大器op1输出端的串联分压电阻r1、r2、r3，r3一端接地，电阻r2、r3具有抽头，运算放大器op2输出端的串联分压电阻r4、r5，r5一端接地。

所述运算放大器op1的一个输入端输入vbias信号，另一个输入端输入vbiasn信号，在该输入端加有该运算放大器输出端电阻r2抽头的反馈电压。

所述运算放大器op2的一个输入端输入v0p9信号，在该输入v0p9信号的输入端加有运算放大器op1输出端电阻r3抽头的输出电压，另一个输入端输入v0p9n信号，在该输入v0p9n信号的输入端加有该运算放大器输出端电阻r4、r5分压端的反馈电压。

所述电阻r4、r5是一种可变电阻。

所述电阻r4、r5是一种电阻率是受温度变化影响的，同时也是大小是可调节的。

所述比较器电路cmp1的输出端输出tout信号。

一种集成电路芯片温度的片上测温方法，其过程步骤如下

步骤1，根据应用确定一个最接近测量温度值的初始温度值t0，根据下式中Δt＝0，得到一组该温度下的r4₀和r5₀的数值；

$\frac{540}{270*\{\frac{r{4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{r{5}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}}=1$

r4₀和r5₀是比值关系，具体的数值是根据具体的集成电路设计的要求来确定的，在本发明中，只要任意选择其数值都是可以实现的，只要不违背基本电路学要求，任何电路设计是都可以完成选电阻的工作；

步骤2，打开测温系统电路，改变可变电阻r5的电阻值，使得r5＝r5₀，此时如果比较器cmp1的输出为1，证明r5的电阻值相对变高，需要降低r5的电阻值，使得比较器cmp1的输入相等；

步骤3，改变可变电阻r5的电阻值，按照测量精度的要求，每次改变其电阻大小为其最小分辨率，并且检查比较器cmp1的输出，直到输出为0；

步骤4，根据公式(r5₀+Δr5)＝r4₀(1+Δt*tr2)，代入已知的r4₀，r5₀以及tr2，可以计算出Δt，再根据步骤1中所确定的t0计算得到测量温度t，其中t＝Δt+t0；

步骤5，如果步骤2中的比较器cmp1的输出为0，则需要把步骤3中降低r5的电阻值变成增加r5的电阻值，直到比较器cmp1的输出为1；

步骤6，如果r5的电阻值增加或者减小为最大值或者最小值，cmp1的输出不能发生改变，则证明测量的温度超过测量范围，需要报告出测量结果超过量程；

步骤7，重复上述步骤，多次测量求平均值。

所述步骤4，Δr5是数字控制逐步变化得到的，改变Δr5，最终比较器cmp1的输出为0，这个过程变化的r5电阻就是Δr5。

发明的有益效果：由于温度传感器的诸多缺点，使得“动态模拟电路性能调节”在消费类电子领域一片空白。本发明的特点就是采用一种便捷的电路和策略在集成电路芯片之上集成了温度测量计算功能，可以非常广泛的应用于对精度要求相对较低，但是对成本，体积要求很高的集成电路测温领域，可以有效地解决该领域的空白。

附图说明

图1是本发明的集成电路芯片温度的片上测温电路图；

图2是图1测温电路中r4电阻的温度特性曲线图；

图3是图1测温电路中r5电阻的温度特性曲线图；

图4是本发明的集成电路芯片温度的片上测温流程图。

具体实施方式

下面参考附图，对本发明的典型具体实施例作详细描述。以下实施例用于说明本发明，本发明的上述和其他特征和优点将显而易见。但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明的集成电路芯片温度的片上测温电路图。片上测温电路包括：运算放大器op1、运算放大器op2、比较器电路cmp1以及运算放大器op1输出端的串联分压电阻r1、r2、r3，r3一端接地。电阻r2、r3具有抽头。运算放大器op2输出端的串联分压电阻r4、r5，r5一端接地。电阻r4、r5是一种可变电阻。任何电阻都是随温度变化而变化的，只不过变化程度不同，本发明利用了不同电阻对温度响应的不同来计算温度，所以r4、r5电阻率是受温度变化影响的。同时也是大小是可调节的。

运算放大器op1、运算放大器op2的输出端连接到比较器电路cmp1的两个输入端。运算放大器op1与运算放大器op2通过运算放大器op1输出端的电阻r3抽头连接到运算放大器op2的输入端。运算放大器op1的一个输入端输入vbias信号，另一个输入端输入vbiasn信号，在该输入端加有该运算放大器输出端电阻r2抽头的反馈电压。电阻r2抽头的反馈电压将影响运算放大器op1的工作状态。也会影响到温度测量的特性。运算放大器op2的一个输入端输入v0p9信号，在该输入v0p9信号的输入端加有运算放大器op1输出端电阻r3抽头的输出电压，另一个输入端输入v0p9n信号，在该输入v0p9n信号的输入端加有该运算放大器输出端电阻r4、r5分压端的反馈电压。电阻r3抽头的输出电压以及电阻r4、r5分压端的反馈电压将影响运算放大器op2的工作状态。也会影响到温度测量的特性。比较器电路cmp1的输出端输出tout信号。

图中，r1、r2、r3选用同一种电阻。

电阻选择

r1、r2、r3，

类型选择：方阻高、匹配性好

取值选择：根据功耗确定电阻大小

r4选用的电阻温度系数tr2，r5选用不同的电阻类型，具有温度系数tr1。当温度改变时，v1p8电压不变；由于r4和r5的温度系数不一样，如果r4和r5的抽头不改变，则v1p8n的电压将会变化，导致cmp的比较结果发生变化，即通过判断tout的状态即可根据电阻推算出温度。

r4电阻选择(参见表-1)选择线形类型最好的，电阻大小根据集成电路设计本身的速度功耗要求，本设计中只要满足前文所述公式便可，是一个比例关系，而具体大小一个专业人士可以控制。

类型选择：温度特性线性性好

取值选择：根据功耗确定电阻大小

选择rpdiffu电阻rpdiffu是P阱电阻

r5电阻选择(参见表-1)选择温度系数最低的，电阻大小根据集成电路设计本身的速度功耗要求，本设计中只要满足前文所述公式便可，是一个比例关系，而具体大小一个专业人士可以控制。

类型选择：温度系数低

取值选择：根据功耗确定电阻大小

选择rppolyu电阻rppolyu是P多晶硅电阻

Δr5的设计与计算，根据r5值、tr1和tr2确定电阻大小：

r4的温度系数取平均值1.38，绝对误差为±0.03，相对误差为±2.2％。

270是基数，32选1是微调，用来控制公式中的基本比例系数270和540，由于集成电路设计的时候会有偏差，可以通过外部寄存器来调节这种生产误差，从而保证精度。

表-1：grace 0.18V hv18V process电阻模型

	方阻	tc1(e-3)	tc2(e-6)
				hrpoly1k	1000	-0.98	2.28
rndiffu	55	1.47	0.362
				rpdiffu	145	1.39	0.694
rppolyu	215	-0.144	0.866
				rnpolyu	260	1.46	2.98

上述表格为集成电路晶圆厂提供的能够生产的几种电阻，符号是由集成电路晶圆厂提供，我们选择了这样的两种电阻。

cmp1设计

设计要求：比较器输出信号的偶合信号不能干扰v1p8。

op设计

设计要求：增益大于63db，对速度无要求。

电路误差调整：

常温时(25℃)，调整r4₀＝r5₀，如果r4的修调范围为y，选用n位寄存器进行修调，则可修调精度为k/2n，该精度误差必须通过r5的偏移来进行补偿，则当温度变化1℃时，r5的微调电阻修调数不再为1，变成m：

$m=\frac{r{4}_0{*}^y/2^n}{\mathrm{\Δr}{5}_0}=\frac{y}{(\mathrm{tr}2+\mathrm{tr}1)*2^n}$

寄存器说明：可以使用数字电路的寄存器配合控制，是一种具体的应用策略，寄存器是专业人士默认都理解的，其设计也是基本常识，这里我强调的是如何使用寄存器来控制，强调的是方法，寄存的控制策略，而不会要求寄存的设计。

muxr5〔7:0〕：控制模拟电路的温度测量，直接锁存输出给模拟电路。

muxr5f〔7:0〕：在每次延时10s开始测量前保存的上一次测量温度值，以确保本次测量结果不会溢出。

muxr5f〔7:0〕代表本次测量的温度值。

muxr5s〔7:0〕：每次改变vo_40mv〔8:0〕和vo_5mv2:0〕的mux5f〔7:0〕值，用以比较迟滞。

vo_40mv〔8:0〕：控制v0输出电压，按40mv步长加减。

vo_5mv〔2:0〕：控制v0输出电压，按5mv步长加减。为了说明方便，给寄存器起的名字而已，好比a，b，c…

图2是图1测温电路中r4电阻的温度特性曲线图。

从图中可以看出r4电阻的温度特性线性度比较好。符合挑选r4的策略。

图3是图1测温电路中r5电阻的温度特性曲线图。

根据图3的温度特性选择电阻，选择温度系数小的r5电阻符合挑选r5的策略，就可以完成测温。

图4是本发明的集成电路芯片温度的片上测温流程图。为了该电路测量结果更可靠，可结合逻辑控制一起工作，并且使用数字逻辑来通过温度最终控制模拟电路的电压输出，测量流程如下图：

集成电路芯片温度的片上测温方法，其过程步骤如下

步骤1，根据应用确定一个最接近测量温度值的初始温度值t0，根据下式中变化温度Δt＝0，得到一组该温度下的r4₀和r5₀的数值；

$\frac{540}{270*\{\frac{r{4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{r{5}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}}=1$

其中，Δt是温度变化，t r1是r5的温度系数，t r2是r4的温度系数，r4₀和r5₀是比值关系，具体的数值是根据具体的集成电路设计的要求来确定的，在本发明中，只要任意选择其数值都是可以实现的，只要不违背基本电路学要求，任何电路设计是都可以完成选电阻的工作。

步骤2，打开测温系统，改变可变电阻r5的电阻值，使得r5＝r5₀，此时如果比较器cmp1的输出为1，证明r5的电阻值相对变高，需要降低r5的电阻值，使得比较器cmp1的输入相等；

步骤3，改变可变电阻r5的电阻值，按照测量精度的要求，每次改变其电阻大小为其最小分辨率，并且检查比较器cmp1的输出，直改变其电阻大小为其最小分辨率，并且检查比较器cmp1的输出，直到输出为0；

步骤4，根据公式(r5₀+Δr5)＝r4₀(1+Δt*tr2)，代入已知的r4₀，r5₀以及tr2，可以计算出Δt，再根据步骤1中所确定的t0计算得到测量温度t，其中t＝Δt+t0；Δr5是数字控制逐步变化得到的，改变Δr5，最终比较器cmp1的输出为0，这个过程变化的r5电阻就是Δr5。

步骤5，如果步骤2中的比较器cmp1的输出为0，则需要把步骤3中降低r5的电阻值变成增加r5的电阻值，直到比较器cmp1的输出为1；

步骤6，如果r5的电阻值增加或者减小为最大值或者最小值，cmp1的输出不能发生改变，则证明测量的温度超过测量范围，需要报告出测量结果超过量程；

步骤7，重复上述步骤，多次测量求平均值。

虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。

Claims (8)

1.一种集成电路芯片温度的片上测温电路，包括：运算放大器op1、运算放大器op2、比较器电路cmp1，其特征在于，运算放大器op1与运算放大器op2通过运算放大器op1输出端的电阻r3抽头连接到运算放大器op2的输入端，运算放大器op1、运算放大器op2的输出端分别连接到比较器电路cmp1的两个输入端，其中，所述运算放大器op1输出端的串联分压电阻r1、r2、r3，r3一端接地，电阻r2、r3具有抽头，运算放大器op2输出端的串联分压电阻r4、r5，r5一端接地。

2.根据权利要求1所述的集成电路芯片温度的片上测温电路，其特征在于，所述运算放大器op1的一个输入端输入vbias信号，另一个输入端输入vbiasn信号，在该输入vbiasn信号的输入端加有该运算放大器输出端电阻r2抽头的反馈电压。

3.根据权利要求1所述的集成电路芯片温度的片上测温电路，其特征在于，所述运算放大器op2的一个输入端输入v0p9信号，在该输入v0p9信号的输入端加有运算放大器op1输出端电阻r3抽头的输出电压，另一个输入端输入v0p9n信号，在该输入v0p9n信号的输入端加有该运算放大器输出端电阻r4、r5分压端的反馈电压。

4.根据权利要求3所述的集成电路芯片温度的片上测温电路，其特征在于，所述电阻r4、r5是一种可变电阻。

5.根据权利要求4所述的集成电路芯片温度的片上测温电路，其特征在于，所述电阻r4、r5是一种电阻率是受温度变化影响的，同时也是可调节的。

6.根据权利要求1所述的集成电路芯片温度的片上测温电路，其特征在于，所述比较器电路cmp1的输出端输出tout信号。

7.一种集成电路芯片温度的片上测温方法，其步骤如下：

步骤1，根据应用确定一个最接近测量温度值的初始温度值t0，根据下式中Δt＝0，得到一组该温度下的r4₀和r5₀的数值；

$\frac{540}{270*\{\frac{{r4}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}2)}{{r5}_0(1+\mathrm{\Δt}*\mathrm{tr}1)}+1\}}=1$

其中Δt表示温度变化，tr1是r5的温度系数，tr2是r4的温度系数，r4₀和r5₀是比值关系，具体的数值是所述电阻r4与电阻r5根据具体的集成电路设计的要求来确定的，只要任意选择其数值都是可以实现的，任何电路设计是都可以完成选电阻的工作；

步骤2，打开测温系统电路，改变可变电阻r5的电阻值，使得r5＝r5₀，此时如果比较器cmp1的输出为1，证明r5的电阻值相对变高，需要降低r5的电阻值，使得比较器cmp1的输入相等；

步骤3，改变可变电阻r5的电阻值，按照测量精度的要求，每次改变其电阻大小为其最小分辨率，并且检查比较器cmp1的输出，直到输出为0；

步骤4，根据公式(r5₀+Δr5)＝r4₀(1+Δt*tr2)，代入已知的r4₀，r5₀以及tr2，可以计算出Δt，再根据步骤1中所确定的t0计算得到测量温度t，其中t＝Δt+t0；

步骤5，如果步骤2中的比较器cmp1的输出为0，则需要把步骤3中降低r5的电阻值变成增加r5的电阻值，直到比较器cmp1的输出为1；

步骤6，如果r5的电阻值增加或者减小为最大值或者最小值，cmp1的输出不能发生改变，则证明测量的温度超过测量范围，需要报告出测量结果超过量程；

步骤7，重复上述步骤，多次测量求平均值。

8.根据权利要求7所述的集成电路芯片温度的片上测温方法，其特征在于，所述步骤4，Δr5是数字控制逐步变化得到的，改变Δr5，最终比较器cmp1的输出为0，这个过程变化的r5电阻就是Δr5。

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